智慧圖書館仿真平臺體系的構(gòu)建研究

郭新華，陳建華

(泉州信息工程學院軟件學院，福建 泉州 362000)

1 引言

近年來，智慧城市、智慧社區(qū)、智慧校園的建設(shè)已經(jīng)掀起一股熱潮，作為智慧校園重要的有機組成部分——智慧圖書館的建設(shè)也被納入國家建設(shè)體系中。歐美的圖書館最早提出了智慧圖書館這個概念。至今，學術(shù)界對智慧圖書館的概念眾說紛紜，還未對其有統(tǒng)一準確的定義。智慧圖書館是通過大數(shù)據(jù)、云計算，物聯(lián)網(wǎng)等一系列的技術(shù)和感知硬件、計算機等硬件的支撐，把館藏資源轉(zhuǎn)換成服務(wù)的基礎(chǔ)平臺，在時空上不受限制地為讀者提供智慧服務(wù)。

智慧圖書館的建設(shè)上，作為高等教育重要組成部分的民辦高校，其大部分的圖書館還處在傳統(tǒng)、數(shù)字的模式，跟不上智慧化建設(shè)的步伐。經(jīng)過對地方高校圖書館以及國內(nèi)智慧化較成功的高校智慧圖書館調(diào)研分析，結(jié)合泉州信息工程學院圖書館實際情況進行智慧圖書館仿真平臺體系的構(gòu)建研究。泉州信息工程學院(以下簡稱泉信)圖書館建于2002年，現(xiàn)有館舍建筑面積近1.79萬平方米，普通閱覽室座位1475位，多媒體電子閱覽室擁有250臺電腦終端供讀者訪問圖書館資源和網(wǎng)絡(luò)資源，現(xiàn)處在實體圖書館和數(shù)據(jù)圖書館的服務(wù)狀態(tài)。所以泉信圖書館存在一些傳統(tǒng)性的、普遍性的問題：①隨著師生人數(shù)不斷的增多對圖書館使用需求也在巨增，受圖書館的開放時間的限制，讀者在使用實體圖書館時經(jīng)常在時間和空間上受到較大的影響。②傳統(tǒng)的圖書館所提供的服務(wù)形式較單一，會出現(xiàn)如當讀者沒有攜帶證件就無法借還這樣的問題。③傳統(tǒng)的圖書館在進行閱讀推薦時，幾乎沒有針對讀者的個性化推薦。文章提出智慧圖書館仿真平臺體系整體架構(gòu)，并選擇一個現(xiàn)實圖書館為樣本，利用該架構(gòu)實現(xiàn)智慧圖書館仿真平臺，期望解決上述問題。

2 智慧圖書館仿真平臺體系架構(gòu)與技術(shù)需求

2.1 智慧圖書館仿真平臺體系架構(gòu)

智慧圖書館仿真平臺是通過瀏覽器來體驗館內(nèi)漫游、享受智慧推薦、訪問館內(nèi)資源，讓讀者具有較強沉浸式體驗的智慧圖書館。智慧圖書館仿真平臺體系包括客戶端和仿真端兩部分。仿真端是對智慧圖書館的數(shù)據(jù)資源和硬件資源進行虛擬和仿真，讓讀者可以在不同的時空實現(xiàn)智慧圖書館的體驗；客戶端主要是讓讀者通過瀏覽器進行仿真平臺的使用，體驗沉浸式的智慧圖書館服務(wù)。主要采用已有的學校網(wǎng)站服務(wù)器作為整個體系的后臺支持。

在圖1中智慧圖書館仿真平臺體系主要包括基礎(chǔ)層、仿真層和服務(wù)層三層結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)層包括：①館藏資料庫，保存館內(nèi)圖書、影像等資源信息，也可以鏈接到實體圖書館的數(shù)字資源服務(wù)器，實時更新資源信息；② 仿真模型庫，包含圖書館外形、館內(nèi)裝飾、館藏書架和館周邊的三維仿真模型等；③輔助模型庫，主要保存支撐仿真驅(qū)動引擎輔助決策模型和仿真模型需要的紋理圖片、數(shù)據(jù)等，也可以保存引擎產(chǎn)生的實時信息或歷史信息。仿真層由仿真驅(qū)動引擎生成圖書館虛擬場景，是仿真平臺的核心部分，其直接關(guān)系到仿真平臺為讀者服務(wù)的功能和性能；仿真驅(qū)動引擎從功能上為服務(wù)層提供接口。服務(wù)層包括：①漫游圖書館，讀者可以自行規(guī)劃路線，進行館內(nèi)游覽，操作鼠標和鍵盤進行三維地圖的平移、放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等操作，實現(xiàn)對圖書館內(nèi)的如書架、閱讀區(qū)等場景的漫游；②館藏信息查詢，以不同分類方法查詢館藏信息，為讀者提供快速便捷的館藏資料瀏覽或搜索定位；③智慧服務(wù)，為讀者提供智慧個性化推薦。智慧個性化推薦結(jié)合讀者提供的信息及歷史紀錄進行推薦，可以采用實值的RBM與 Top N算法(RT—RBM)的協(xié)同過濾個性化推薦來實現(xiàn)。此個性化推薦可以為讀者進行較精準的推薦，也能為在本館歷史記錄、個人提供信息少的讀者選擇推薦圖書館中若干種的圖書排行榜。

圖1 智慧圖書館仿真平臺體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 智慧圖書館仿真平臺的技術(shù)需求

為了實現(xiàn)上述體系架構(gòu)，需要利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過對圖書館整體的數(shù)據(jù)采集，用Photoshop軟件進行紋理處理，利用ArcGIS 繪制圖書館二維平面圖，利用Esri CityEngine軟件進行三維建模來進行仿真平臺開發(fā)，最后進行平臺集成。

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality簡稱VR)技術(shù)是上個世紀80年代新興的一種綜合集成技術(shù)，涉及到許多領(lǐng)域，如計算機圖形學、人工智能、傳感技術(shù)、人機交互技術(shù)等。它基于各種傳感器設(shè)備和計算機軟硬件構(gòu)成的三維信息的虛擬環(huán)境，虛擬環(huán)境可以逼真地模擬現(xiàn)實的事物和環(huán)境，人參與到這種環(huán)境中，有"親臨其境"的感覺，并與其進行交互。中國國內(nèi)從上個世紀90年代開始對VR進行研究，圖書館領(lǐng)域也把VR技術(shù)逐漸應(yīng)用在漫游展示、借閱指引等方面。

ArcGIS作為一個兼容性較好的平臺，它包含了許多組件，從單一的細粒度的對象(例如單個的幾何形狀)到復雜的粗粒度的對象(例如地圖對象)，涉及面極廣。ArcGIS如在桌面、在服務(wù)器、在野外、通過Web等多種方式，為個體或群體讀者提供全面的GIS功能。

Esri CityEngine是一個較新的三維建模軟件，是城市進行三維建模的首選軟件，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如國防、仿真、數(shù)字城市、游戲開發(fā)、軌道交通、建筑等領(lǐng)域。Esri CityEngine具有標準行業(yè)3D格式，可視化的接口設(shè)置，支持GIS數(shù)據(jù)、基于CGA規(guī)則批量建模、集成Python環(huán)境、支持多平臺等特點。Esri CityEngine可以利用二維矢量圖快速進行三維場景的創(chuàng)建，對ArcGIS的支持，可直接利用已有的GIS數(shù)據(jù)迅速進行三維建模，減少了投資的成本與建設(shè)周期。

上述技術(shù)再加上面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言及其開發(fā)環(huán)境，基本能夠支持智慧圖書館仿真平臺架構(gòu)的實現(xiàn)。

3 智慧圖書館仿真平臺的設(shè)計實現(xiàn)

智慧圖書館仿真平臺實現(xiàn)可分前期準備、三維建模與智慧推薦建模和仿真平臺集成設(shè)計三個階段，其基本流程如圖2所示。首先進行前期的準備工作，包括數(shù)據(jù)采集、紋理處理和行為調(diào)研。數(shù)據(jù)采集包括館藏資源庫、已有讀者相關(guān)信息、三維建模所需素材；紋理處理用位圖軟件Photoshop對采集的紋理進行背景、透視和明暗度等的處理，為三維建模做準備；行為調(diào)研是指對圖書館的讀者，在館內(nèi)行為特征的調(diào)研。其次是基于前期的數(shù)據(jù)資料進行圖書館實體的外形、內(nèi)飾、內(nèi)景、書架、書形、館物、周邊景物等實物的三維建模和讀者行為建模。最后是仿真平臺集成設(shè)計，包括仿真驅(qū)動引擎設(shè)計、智慧推薦建模設(shè)計和服務(wù)集成設(shè)計三部分。服務(wù)集成包括漫游圖書館、館藏信息查詢、智慧服務(wù)三個模塊。

圖2 智慧圖書館仿真平臺開發(fā)流程圖

3.1 圖書館基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集包括圖書館矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)。

對于圖書館的矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)可采用如下流程：在泉信圖書館附近，利用GPS-RTK技術(shù)布局設(shè)置GPS控制網(wǎng)，通過GPS接收儀器獲取控制點坐標，通過專業(yè)軟件處理得到觀測點的點位， 結(jié)合泉信圖書館的平面圖、GoogleEarth地圖，再利用ArcGIS繪制泉信圖書館的二維矢量底圖，也得到包括綠化帶、路等的矢量數(shù)據(jù)。

對于圖書館的紋理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，采用拍攝、網(wǎng)站收集的方式來采集。圖書館紋理包括圖書館表面紋理和室內(nèi)紋理。對于圖書館表面紋理采集先全景后特征。必須有八個方位的全景和與其對應(yīng)的特征，還有圖書館建筑物特征：門、窗、建筑材質(zhì)、封閉陽臺、開放陽臺、屋項重要裝飾、下穿結(jié)構(gòu)、門廊、屋檐、大型臺階、普通臺階、室外樓梯、支柱(墩)立面突出物或重要裝飾、懸空通廊等。用高精度相機，進行圖書館多個側(cè)面的紋理數(shù)據(jù)采集；通過學校網(wǎng)站、GoogleEarth地圖等方式資料搜集，獲得圖書館的層高(4層)、房頂面紋理；對于正常拍攝不到的圖書館死角可以通過無人機拍攝獲取紋理資料。對于圖書館室內(nèi)紋理，用高精度相機進行紋理數(shù)據(jù)采集。

3.2 圖書館紋理圖片處理

Photoshop是位圖處理領(lǐng)域中功專業(yè)且處理能力強大的軟件，可以利用Photoshop來處理前面采集的紋理圖片存在的一些問題。紋理圖片存在的問題可以分以下幾類進處理：(1)因拍攝而造成的紋理圖片過大或有多余的背景，這樣的問題可以用Photoshop的自由變換或裁剪進行處理；(2)因拍攝角度沒把握好而造成紋理圖片的透視問題，如傾斜、角度不正，這類問題可以用透視變換進行處理；(3)拍攝時因光線問題造成紋理圖片亮度、色彩問題的，可以通過色彩調(diào)整命令進行處理；(4)對于紋理圖片中被人或樹等障礙物覆蓋的部分，采用Photoshop的修復工具、仿制圖章工具或通道的方式進行修復。通過上述四種情況的處理，一般可得到較理想的紋理圖片。

3.3 圖書館三維建模

三維建模對象有：泉信圖書館為單獨一棟圓形建筑，包含了4個樓層，正大門有一條水泥路，四周分布著草地花圃。利用Esri CityEngine軟件對泉信圖書館實體進行三維仿真建模，用其內(nèi)部的CAG語義進行自動建模。三維建模的流程如下：在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的前期準備下，接下來在CityEngine創(chuàng)建項目，把前期得到GPS數(shù)據(jù)、矢量二維數(shù)據(jù)導入，編寫CAG規(guī)則，構(gòu)建三維模型，三維模型導出。

3.3.1 圖書館主體建筑的三維建模

首先，在CityEngine軟件中的“File”→“ New”…→“CityEngine” →“CityEngine project”選項按步驟創(chuàng)建一個新的CityEngine項目。將前期準備各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源放入assets文件夾中，將GIS數(shù)據(jù)放入data文件夾中。把矢量二維平面圖導入到Shape中，DXF、FGDB、COLLADA、DAE、OBJ、OSM、SHP這些格式都可以導入到Shape中，當然由ArcGIS繪制的二維矢量底圖也在這些支持導入的類型中。

接下來，創(chuàng)建圖書館主體建筑的CGA規(guī)則文件，分為兩部分，第一部分為圖書館的1～3層CGA規(guī)則，因為三層的建筑規(guī)模是相同的。利用拉伸(extrude) 函數(shù)的拉伸規(guī)則把地塊變成一個10.5建筑模型。分割組件(comp)函數(shù)把前面得到的模型按表面和屋頂分開，接著對模型表面FloorFacade利用setupProjection、projectUV(0)、texture這3個函數(shù)進行貼圖，再利用切割(split)把模型建筑分成3個樓層foors，同樣split函數(shù)對foors進行A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的劃分。屋頂Roof與表面一樣也進行了紋理貼圖。第二部分為圖書館的頂層CGA規(guī)則，因為只有B區(qū)、C區(qū)兩區(qū)，所以單獨寫規(guī)則，規(guī)則與1～3層類似，利用拉伸(extrude) 函數(shù)的拉伸規(guī)則把地塊變成一個3.5建筑模型。分割組件(comp)函數(shù)把前面得到的模型按表面和屋頂分開，接著利用setupProjection、projectUV(0)、texture這3個函數(shù)對模型表面進行貼圖，再利用split函數(shù)對foors進行B區(qū)、C區(qū)兩區(qū)的劃分。屋頂Roof與表面一樣也進行了紋理貼圖。

在CityEngine工具欄上選擇Assign，接著選擇前面創(chuàng)建的規(guī)則或直接把規(guī)則拖拽到Shape上，點擊 Generate，就可以生成圖書館主體建筑三維模型。此時生成的模型還比較簡單，還需要細化。如在貼圖時，需要注意建筑表面的特征(像玻璃或其它反光材料的紋理應(yīng)進行反光、透明的參數(shù)設(shè)置)，靈活地進行設(shè)置。還需要對樓頂進行精細的建模，利用分割函數(shù)split、偏移函數(shù)offset、索引函數(shù)等內(nèi)部函數(shù)進行擠出、平移、分割等操作，得到建筑頂部的復雜建模。圖3為圖書館的建筑模型。

圖3 圖書館建模

規(guī)則建模部分代碼如下：

Lot-->∥圖書館1-3層的建模規(guī)則

extrude(10.5)

comp(f) { side ：FloorFacade| top(0)： Roof }

FloorFacade-->

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture("wenli.jpg")

split(y){ { 3.2：floors|0.3： walls }*|3.2：foors|0.3：topwall})

foors-->

split(x){′0.33：A|′0.34：B|0.33：C }

Roof-->

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture("wenli.jpg")

Lot-->∥圖書頂層的建模規(guī)則

extrude(3.5)

comp(f) { side ：FloorFacade| top(0)： Roof }

FloorFacade-->∥定義外觀

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture("wenli.jpg")

split(y){ 3.2：foors|0.3：topwall)

foors-->

split(x){′0.5：B|′0.5：C }

Roof-->∥定義屋頂

setupProjection(0，scope.xy，～4，～4)

projectUV(0)

texture(" wenli.jpg")

3.3.2 圖書館周圍綠化、道路的三維建模

根據(jù)前期得到的道路中心線數(shù)據(jù)、綠化帶面狀數(shù)據(jù)矢量數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)字高程模型，在CityEngine中利用Map Layer圖層的地形圖創(chuàng)建一個有起伏的綠化帶地形圖，再利用Graph Layer圖層來創(chuàng)建道路的網(wǎng)絡(luò)圖層，再利用綠化帶的紋理還有道路紋理進行貼圖。對于比較復雜的物體如路燈、樹等，因Esri CityEngine支持標準行業(yè)3D格式，所以可以用3DMAX制作完較復雜不規(guī)則的模型再導入。

3.3.3 圖書館室內(nèi)建模

通過復制圖書館三維模型的頂層面，并對頂層面擠出厚度、平移，并與復制圖層結(jié)合成室內(nèi)地板的建模。館內(nèi)裝飾、書架、書、門、窗、桌椅、地板、過道等的建模，可以利用編寫不同CAG規(guī)則，結(jié)合內(nèi)部函數(shù)進行快速建模，再利用紋理數(shù)據(jù)對上述實物進行貼圖，并按照實體館內(nèi)布局進行組合。圖4為圖書館室內(nèi)書架桌椅。

圖4 圖書館室內(nèi)書架桌椅建模

4 仿真平臺集成設(shè)計

仿真平臺集成設(shè)計包含仿真驅(qū)動引擎設(shè)計和服務(wù)集成設(shè)計兩大部分。平臺的仿真驅(qū)動引擎采用三維仿真引擎軟件HLCSim進行開發(fā)。仿真驅(qū)動引擎設(shè)計中要解決平臺中的管理、調(diào)度和驅(qū)動等核心問題。仿真管理設(shè)置主要包含：①仿真時間合理設(shè)定；②仿真運行速度控制；③仿真記錄與回放、暫停與恢復；④系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視與設(shè)置等。仿真平臺調(diào)度是根據(jù)讀者的操作實現(xiàn)仿真資源和服務(wù)功能的有序運行。仿真驅(qū)動是根據(jù)讀者操作反映的服務(wù)需求生成虛擬現(xiàn)實的視覺場景和資源信息的聯(lián)動。服務(wù)集成設(shè)計是仿真平臺與讀者的接口，包含漫游圖書館、館藏信息查詢、智慧服務(wù)三個模塊。漫游圖書館可為讀者提供自規(guī)劃閱覽路線和平臺推薦瀏覽路線。館藏信息查詢?yōu)樽x者提供在館內(nèi)全部資料、物品及服務(wù)指南的查詢。智慧服務(wù)，根據(jù)讀者在本館歷史記錄、個人提供信息提供個性化推薦。

利用Esri CityEngine把仿真平臺導出為3ws格式的文件，可以利用調(diào)用本地服務(wù)或發(fā)布到ArcGIS Online兩種方式來發(fā)布，發(fā)布之后就可以通過瀏覽器瀏覽建立的虛擬三維場景。

5 結(jié)束語

本文提出了智慧圖書館仿真平臺體系架構(gòu)，并以泉州信息工程學院的圖書館為樣本，設(shè)計實現(xiàn)智慧圖書館仿真平臺，解決了實體圖書館受時間和空間的限制、服務(wù)形式單一、個性化推薦差等問題；使讀者不受時間空間限制，進行館內(nèi)漫游、瀏覽館藏資源、享受智慧推薦服務(wù)，得到全新的體驗，展現(xiàn)了智慧圖書館個性化服務(wù)的場景。該仿真平臺體系架構(gòu)的實現(xiàn)，對民辦高校的圖書館智慧化建設(shè)具有重要的參考價值。